Элемент термоактивируемого химического источника тока

Авторы патента:

H01M6/36 - содержащие электролит и приводимые в действие физическими факторами, например термоэлементы (термоэлектрические приборы на твердом теле H01L 35/00,H01L 37/00)

H01M6/02 - конструктивные элементы (неактивных частей H01M 2/00, электродов H01M 4/00)

Владельцы патента RU 2768252:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ), и может быть использовано в качестве источника электропитания как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов. Элемент содержит диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей, помещенный в металлическую сетчатую обечайку, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит. Техническим результатом является повышение разрядного напряжения на элементе ТХИТ при снижении количества катодной массы, что увеличивает удельные электрические и емкостные характеристики элемента ТХИТ. 2 ил., 6 пр.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к термоактивируемым химическим источникам тока (ТХИТ) и может быть использовано в качестве источника электропитания, как для средств управления, так и для активного питания силовых электрических агрегатов.

Из уровня техники известны элементы термоактивируемых химических источников тока, каждый из которых выполнен в виде набора дисков, последовательно соединенных между собой (R. Guidotti, P. Masset. Thermally activated («thermal») battery technology Part I: An overview//J. of Power Sources, 161(2006) 1443-1449) [1]. Конструкция такого элемента содержит последовательно расположенные катодный токосъем, катодный диск, содержащий активный компонент с добавлением электроно – и ионопроводящих материалов, диск из электролитной смеси, анодный диск и анодный токосъем. Такая конструкция технологична, но из-за балластного содержания в ней электрон- и ионопроводящих материалов удельные электрические характеристики элемента ТХИТ имеют низкие значения.

Наиболее близким к заявляемому является элемент химического источника тока, известный из RU 2105392, опубл.20.02.1998 [2]. Данный элемент содержит анодный полуэлемент, выполненный из пористой металлической пластины, размещенной на поверхности анода, обращенной к катоду. Пористая металлическая пластина выполнена из пористой никелевой фольги толщиной 20 - 250 мкм, пористостью 30 - 60% и размером пор 1 - 40 мкм. Никель стоек при рабочих условиях литиевого ХИТ и широко используется в технологии производства. Пластина, расположенная на рабочей поверхности анода, препятствует образованию и росту литиевых дендритов и одновременно выполняет роль токоотвода. Металлический литий размещенный в порах и/или на поверхности анодного полуэлемента, увеличивает прочность сцепления активного компонента с токоотводом, что уменьшает внутреннее сопротивление и повышает разрядные характеристики. Инертный катодный полуэлемент также выполнен из пористой металлической пластины, в порах и/или на поверхности которой помещен активный компонент катода – тионилхлорид в растворе электролита. Предполагается, что катодный полуэлемент, обладающий высокой пористостью и развитой поверхностью, пропитанный раствором активного компонента в электролите, будет обеспечивать высокие разрядные токи.

Таким образом, известный элемент химического источника тока содержит катодный и анодный полуэлементы, помещенные в поры металлической пластины, приваренной к токосъемам. Тионилхлорид, используемый в известном элементе в качестве активного компонента, в процессе электрохимической реакции не образует электронопроводящего компонента, поэтому для работы известного элемента требуется не менее 30% электронопроводящего и не менее 20% – ионопроводящего компонентов по отношению к общей массе катодного полуэлемента. Балластные электронопроводящий и ионопроводящий компоненты снижают массу активного компонента катода, размещаемого в порах металлических пластин, что является причиной незначительной удельной электрической емкости известного элемента ТХИТ.

Задача изобретения заключается в разработке конструкции элемента термоактивируемого химического источника с повышенной удельной электрической емкостью.

Для этого предложен элемент термоактивируемого химического источника тока, который, как и прототип, содержит катодный полуэлемент с галогенидсодержащим активным компонентом, помещенный во внутрь металлического материала, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит. Новый элемент отличается тем, что диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей помещен в металлическую сетчатую обечайку.

Сущность предложенного решения заключается в том, что в процессе разряда, без использования электроно – и ионопроводящих материалов, компоненты катодного полуэлемента, помещенного в металлическую сетчатую обечайку, восстанавливаются до электропроводящего металла в виде губчатой структуры, которая растет в направлении невосстановленного катодного материала. Электропроводная обечайка в этом решении выполняет функцию токосъемника. При этом внутреннее сопротивление элемента ТХИТ изменяется незначительно в процессе разряда и определяется сопротивлением электролитной смеси. Исключение из катодного полуэлемента балластных электрон – и ионопроводящих материалов, а также снижение его внутреннего сопротивления, позволяет повысить удельную электрическую емкость и удельные электрические характеристики элемента термоактивируемого химического источника тока.

Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удельной электрической емкости элемента и удельных электрических характеристик термоактивируемого химического источника тока.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен элемент термоактивируемого химического источника тока; на фиг.2 представлены разрядные кривые, соответствующие номерам нижеприведенных примеров.

Элемент термоактивируемого химического источника тока содержит металлическую сетчатую обечайку 1, помещенный в нее диск катодного полуэлемента 2 а также диск из электролита 3 и диск анодного полуэлемента 4. Сетчатая обечайка 1 может быть изготовлена из любого металла, например, никеля, кобальта, железа, меди и др, совместимого с активными компонентами элемента ТХИТ.

Для обоснования осуществимости предлагаемого решения проведены сравнительные разряды макетов элементов ТХИТ с общепринятой конструкцией катодного полуэлемента (пример 1) и с предлагаемой конструкцией, катодный диск которой выполнен с различными составами активного вещества (примеры 2-6).

Пример 1. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiCl₂–V₂O₃ (30 мас.%) без металлической сетчатой обечайки. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%. В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля	2,5
Триоксид ванадия	1, 07
Электролитная смесь	4,0
Литий-борный композит	1,0

Разряд проводили при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Пример 2. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом из NiCl₂, помещенным в металлическую сетчатую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля	2,5
Электролитная смесь	4,0
Литий-борный композит	1,0

Пример 3. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiCl₂–V₂O₅ (30 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дихлорид никеля и триоксид ванадия при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дихлорид никеля	2,5
Пятиокись ванадия	1, 07
Электролитная смесь	4,0
Литий-борный композит	1,0

Пример 4. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiF₂– MoO₃ (20 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

В качестве активного компонента катода, макет содержит дифторид никеля и оксид молибдена при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Дифторид никеля	2,5
Оксид молибдена	0,625
Электролитная смесь	4,0
Литий-борный композит	1,0

Пример 5. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава NiO, помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-кремний сплав.

В качестве активного компонента катода, макет содержит оксид никеля при следующем соотношении компонентов элемента ТХИТ, г:

Оксид никеля	1,0
Электролитная смесь	4,0
Литий-кремний сплав	2,0

Разряд проводился при температуре 550°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составляла 4,8 см².

Пример 6. Изготовлен макет элемента ТХИТ с катодным полуэлементом состава CoCl₂– WO₃ (20 мас.%), помещенным в сетчатую металлическую обечайку. Элемент содержит электролитную смесь на основе LiF–LiCl–LiBr (60 мас.%), загущенную γ–LiAlO₂. Анодный полуэлемент представляет собой литий-борный композит с содержанием бора 24 мас.%.

Дихлорид кобальта	2,5
Оксид вольфрама	0,625
Электролитная смесь	4,0
Литий-борный композит	1,0

Разряд проводили при температуре 520°С плотностью тока 0,4 А/см² в гальваностатическом режиме. Площадь рабочей поверхности катодного, электролитного и анодного дисков составила 4,8 см².

Как видно из приведенных данных, использование заявленного изобретения повышает разрядное напряжение на элементе ТХИТ при снижении количества катодной массы, что увеличивает удельные электрические и емкостные характеристики элемента ТХИТ.

Элемент термоактивируемого химического источника тока, содержащий катодный полуэлемент с галогенидсодержащим активным компонентом, помещенный во внутрь металлического материала, литийсодержащий анодный полуэлемент, а также электролит, выполненные в виде дисков, отличающийся тем, что диск катодного полуэлемента с активным компонентом из галогенидов, оксидов переходных металлов или их смесей помещен в металлическую сетчатую обечайку.

Изобретение относится к разработке электролитов для среднетемпературных химических источников тока на основе галогенидов и хроматов лития и рубидия. Согласно изобретению, электролит химического источника тока, включающий бромиды лития и рубидия, дополнительно содержит хромат лития при следующем соотношении компонентов (мас.

Пиротехническая смесь для нагревателя теплового химического источника тока // 2767493

Изобретение относится к малогазовым средствам обогрева тепловой батареи, а именно к пиротехническим нагревателям, используемым для разогрева тепловых химических источников тока. Пиротехническая смесь для нагревателя теплового химического источника тока в виде таблетки содержит, мас.%: железо 67-85, перхлорат калия 10-18, молибден 5-15.

Энергоемкий тепловой химический источник тока // 2751538

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока, и может быть использовано для изготовления теплового химического источника тока (ТХИТ) для питания приборов и систем электрической энергией. Энергоемкий ТХИТ содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ) в корпусе с теплоизоляцией, размещенный в стальном цилиндрическом корпусе, выполненном из нескольких частей и со сформированными в них ребрами, с разнополюсными выводами, при этом содержит в своем составе увеличенное количество в 1,5-2 раза ЭХЭ, по меньшей мере, один горизонтальный фиксатор (упор), выполненный в виде диска с выступающими за его контур стопорящими по меньшей мере 3 выступами, упирающимися на внутреннюю поверхность ребер корпуса блока ЭХЭ, что обеспечивает промежуточное поджатие каждой дополнительной группы ЭХЭ, образующей блок.

Батарея термоактивируемых химических источников тока // 2746268

Изобретение относится к электротехнике, в частности к тепловым химическим источникам тока (ТХИТ), которые могут быть использованы в качестве автономных резервных источников питания с повышенным ресурсом работы, активируемых от внешнего источника тепла. Батарея содержит герметичный металлический корпус, внутри которого на центральном изолированном стягивающем стержне собраны последовательно и установлены вертикально в блоке первичные электрохимические элементы, каждый из которых содержит анодный и катодный полуэлементы, состоящие из активной массы соответствующего электродного материала, запрессованного в чашеобразный металлический корпус.

Способ изготовления компонентов электрохимического элемента для тепловых химических источников тока и конструкция оснастки для их изготовления // 2745745

Изобретение относится к изготовлению компонентов электрохимического элемента для тепловых химических источников тока (ТХИТ) и используемой оснастке. Порошкообразный материал порциями засыпают в полость цилиндрической матрицы, прессуют путем перемещения подвижного пуансона, передающего усилие на формуемую порошкообразную массу.

Тепловая батарея // 2744416

Изобретение относится к области электротехники, а именно к тепловой батарее, содержащей блок электрохимических элементов, снабженных твердыми слоями анода, катода и расположенного между ними электролита, ограниченных с внешней стороны корпусом с теплоизоляцией. Блок электрохимических элементов размещен в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с крышкой и токовыводами батареи, при этом с внутренних боковых и торцевых сторон корпуса выполнены слои изоляции, а между электрохимическими элементами введены твердые слои нагревательных элементов, между которыми размещены токоотводы.

Электролитная масса и способ изготовления электролита для тепловых химических источников тока // 2732080

Изобретение относится к технологии изготовления электролитов для тепловых (твердотельных) химических источников тока (ТХИТ) и может быть использовано для получения электролитов на основе соединений лития. Согласно изобретению электролитная масса для ТХИТ содержит смесь галогенидов лития и загустителя, при этом в составе смеси галогенидов лития содержится трехкомпонентная смесь солей Li (Cl, Br, F), а в качестве загустителя - высокодисперсный порошок γ-LiAlO2 при следующем соотношении ингредиентов, % масс.: Li(Cl,Br,F) 45-55, γ-LiAlO2 - остальное.

Тепловой источник тока // 2686661

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно, к резервным химическим источникам тока в широком диапазоне начальных температур и устойчивым к механическим нагрузкам. Тепловой источник тока содержит электровоспламенитель, смонтированный на токопроводящей печатной плате, закрепленной на крышке термоизолированного корпуса, внутри которого установлен и зафиксирован блок электрохимических элементов, выполненных в виде последовательно соединенных дисковых пиронагревателей, имеющих анодную и катодную пластины, примыкающие к продольным огнепроводящим лентам, при этом электровоспламенитель выполнен в виде мостика накаливания, связанного с печатной платой через контактные площадки, и помещен внутри воспламенительного заряда, заполняющего осевой канал, покрытый продольными огнепроводящими лентами.

Тепловая батарея // 2683585

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции энергоемкой тепловой батареи, и может быть использовано в производстве тепловых химических источников тока. Техническим результатом изобретения является повышение энергоемкости и устойчивости тепловой батареи к внешним механическим воздействиям.

Способ изготовления пиронагревателей // 2664915

Изобретение относится к изготовлению тонких пиротехнических нагревателей (пиронагревателей) для тепловых (разогревных) и пиротехнических источников тока. Перед применением асбест прокаливают при температуре от 390 до 450°С не менее 2 ч, выдерживают при комнатной температуре, а затем проводят распушивание асбеста путем измельчения и расчесывания на волокна в водной суспензии с концентрацией 0,2-3% после предварительной выдержки его в воде не менее 30 мин, после чего обезвоживают и высушивают заготовку.

Ампульный источник тока // 2728089

Изобретение относится к боеприпасам, к энергосодержащему источнику тока головного взрывателя малокалиберных артиллерийских выстрелов. Ампульный источник тока включает корпус с блоком электродов и стеклянной подпружиненной ампулой, заполненной жидким электролитом, смонтированной с возможностью продольного инерционного перемещения относительно жестко укрепленного на дне корпуса накольника до ее разрушения.